芯片互连技术讲义课件

精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远芯片互连技术讲义芯片互连技术讲义2024/7/7芯片互连技术讲义2023/8/131精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远前课回顾1.1.集成电路芯片封装工艺流程集成电路芯片封装工艺流程2.2.成型技术分类及其原理成型技术分类及其原理前课回顾1.集成电路芯片封装工艺流程2.成型技术分类及其原理2精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远 引线键合技术（引线键合技术（WBWB）主要内容 载带自动键合技术（载带自动键合技术（TABTAB）倒装芯片键合技术（倒装芯片键合技术（FCBFCB）引线键合技术（WB）主要内容 载带自动键合技术（TAB）3精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远引线键合技术概述引线键合技术概述 引线键合技术是将半导体裸芯片（引线键合技术是将半导体裸芯片（DieDie）焊区）焊区与微电子封装的与微电子封装的I/OI/O引线或基板上的金属布线焊区引线或基板上的金属布线焊区（PadPad）用金属细丝连接起来的工艺技术。）用金属细丝连接起来的工艺技术。引线键合技术概述 引线键合技术是将半导体裸芯片（Die4精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远引线键合技术分类和应用范围引线键合技术分类和应用范围 常用引线键合方式有三种：热压键合热压键合 超声键合超声键合 热超声波（金丝球）键合热超声波（金丝球）键合 低成本、高可靠、高产量等特点使得WB成为芯片互连主要工艺方法，用于下列封装:陶瓷和塑料BGA、SCP和MCP陶瓷和塑料封装QFP芯片尺寸封装(CSP)引线键合技术分类和应用范围 常用引线键合方式有三种：5精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远 提供能量破坏被焊表面的氧化层和污染物，使焊区金属产生塑性变形，使得引线与被焊面紧密接触，达到原子间引力范围并导致界面间原子扩散而形成焊合点。引线键合键合接点形状主要有楔形和球形，两键合接点形状可以相同或不同。WB技术作用机理技术作用机理 提供能量破坏被焊表面的氧化层和污染物，使焊区金属产生6精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远超超声声键键合合：超声波发生器使劈刀发生水平弹性振动，同时施加向下压力。劈刀在两种力作用下带动引线在焊区金属表面迅速摩擦，引线发生塑性变形，与键合区紧密接触完成焊接。常用于Al丝键合，键合点两端都是楔形。热热压压键键合合：利用加压和加热，使金属丝与焊区接触面原子间达到原子引力范围，实现键合。一端是球形，一端是楔形，常用于Au丝键合。金金丝丝球球键键合合：用于Au和Cu丝的键合。采用超声波能量，键合时要提供外加热源。WB技术作用机理技术作用机理超声键合：超声波发生器使劈刀发生水平弹性振动，同时施加向下压7精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远 球形键合球形键合 第一键合点第一键合点 第二键合点第二键合点 楔形键合楔形键合 第一键合点第一键合点 第二键合点第二键合点 引线键合接点外形引线键合接点外形 球形键合 第一键合点 8精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远采用导线键合的芯片互连引线键合技术实例引线键合技术实例采用导线键合的芯片互连引线键合技术实例9精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远不同键合方法采用的键合材料也有所不同：热压键合和金丝球键合主要选用金（Au）丝，超声键合则主要采用铝（Al）丝和Si-Al丝（Al-Mg-Si、Al-Cu等）键合金丝是指纯度约为99.99，线径为l850m的高纯金合金丝，为了增加机械强度，金丝中往往加入铍(Be)或铜。WB线材及其可靠度线材及其可靠度不同键合方法采用的键合材料也有所不同：WB线材及其可靠度10精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远键合对金属材料特性的要求：键合对金属材料特性的要求：可塑性好，易保持一定形状，化学稳定性可塑性好，易保持一定形状，化学稳定性好；尽量少形成金属间化合物，键合引线和焊好；尽量少形成金属间化合物，键合引线和焊盘金属间形成盘金属间形成低电阻欧姆接触低电阻欧姆接触。WB线材及其可靠度线材及其可靠度柯肯达尔效应：柯肯达尔效应：两种扩散速率不同的金属交互扩散形成缺陷：如Al-Au键合后，Au向Al中迅速扩散，产生接触面空洞。通过控制键合时间和温度可较少此现象。键合对金属材料特性的要求：WB线材及其可靠度柯肯达尔效应：两11精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远金属间化合物形成金属间化合物形成常见于常见于Au-AlAu-Al键合系统键合系统引线弯曲疲劳引线弯曲疲劳引线键合点跟部出现裂纹。引线键合点跟部出现裂纹。键合脱离键合脱离指键合点颈部断裂造成电开路。指键合点颈部断裂造成电开路。键合点和焊盘腐蚀键合点和焊盘腐蚀 腐腐蚀蚀可可导导致致引引线线一一端端或或两两端端完完全全断断开开，从从而而使使引引线线在封装内自由活动并造成短路。在封装内自由活动并造成短路。WB可靠性问题可靠性问题金属间化合物形成常见于Au-Al键合系统WB可靠性问题12精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远载带自动键合（载带自动键合（TAB）技术概述）技术概述 载带自动焊载带自动焊(Tape Automated Bonding(Tape Automated Bonding，TAB)TAB)技术技术是一种将芯片组装在金属化柔性高分子聚合物载带上的集成电路封装技术；将芯片焊区与电子封装体外壳的I/O或基板上的布线焊区用有引线图形金属箔丝连接，是芯片引脚框架的一种互连工艺。载带自动键合（TAB）技术概述 载带自动焊(Tape 13精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远TAB技术分类技术分类 TAB按其结构和形状可分为Cu箔单层带、Cu-PI双层带、Cu-粘接剂-PI三层带和Cu-PI-Cu双金属带等四种。TAB技术分类 TAB按其结构和形状可分为Cu箔单层带14精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远 TAB技术首先在高聚物上做好元件引脚的引线框架，然后将芯片按其键合区对应放在上面，然后通过热电极一次将所有的引线进行键合。TAB工艺主要是先在芯片上形成凸点，将芯片上的凸点同载带上的焊点通过引线压焊机自动的键合在一起，然后对芯片进行密封保护。载带自动键合（载带自动键合（TAB）技术）技术 TAB技术首先在高聚物上做好元件引脚的引线框架，然后15精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远TAB技术工艺流程技术工艺流程TAB技术工艺流程16精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远TAB技术工艺流程技术工艺流程TAB技术工艺流程17精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远TAB技术工艺流程技术工艺流程TAB技术工艺流程18精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远TAB关键技术关键技术 TAB工艺关键部分有：芯片凸点制作、芯片凸点制作、TABTAB载带载带制作和内、外引线焊接制作和内、外引线焊接等。TAB关键技术 TAB工艺关键部分有：芯片凸点制作、T19精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远TAB关键技术关键技术-凸点制作凸点制作TAB关键技术-凸点制作20精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远载带制作工艺实例载带制作工艺实例Cu箔单层带箔单层带 冲制标准定位传送孔冲制标准定位传送孔 Cu Cu箔清洗箔清洗 Cu Cu箔叠层箔叠层 Cu Cu箔涂光刻胶（双面）箔涂光刻胶（双面）刻蚀形成刻蚀形成CuCu线图样线图样导电图样导电图样CuCu镀锡退火镀锡退火载带制作工艺实例Cu箔单层带 冲制标准定位传送孔21精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远内引线键合内引线键合(ILB)内引线键合是将裸芯片组装到内引线键合是将裸芯片组装到TABTAB载带上的技术，通常采载带上的技术，通常采用热压焊方法。焊接工具是由硬质金属或钻石制成的热电极。用热压焊方法。焊接工具是由硬质金属或钻石制成的热电极。当芯片凸点是软金属，而载带当芯片凸点是软金属，而载带CuCu箔引线也镀这类金属时，则用箔引线也镀这类金属时，则用“群压焊群压焊”。内引线键合(ILB)内引线键合是将裸芯片组装到T22精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远TAB关键技术关键技术-封胶保护封胶保护然后，筛选与测试然后，筛选与测试TAB关键技术-封胶保护然后，筛选与测试23精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远外引线键合外引线键合 OLB测试完成测试完成外引线键合 OLB测试完成24精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远TAB技术的关键材料技术的关键材料1）基带材料 基带材料要求高温性能好、热匹配性好、收缩率小、机械强度高等，聚酰亚胺（PI）是良好的基带材料，但成本较高，此外，可采用聚酯类材料作为基带。TAB技术的关键材料1）基带材料25精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远2）TAB金属材料 制作TAB引线图形的金属材料常用CuCu箔箔，少数采用Al箔：导热性和导电性及机械强度、延展性。3）凸点金属材料 芯片焊区金属通常为AlAl，在金属膜外部淀积制作粘附层和钝化层粘附层和钝化层，防止凸点金属与Al互扩散。典型的凸点金属材料多为AuAu或或AuAu合金合金。TAB技术的关键材料技术的关键材料2）TAB金属材料3）凸点金属材料TAB技术的关键材料26精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远TAB技术的关键材料技术的关键材料TAB技术的关键材料27精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远TAB的优点的优点1）TAB结构轻、薄、短、小，封装高度1mm2）TAB电极尺寸、电极与焊区间距较之WB小3）TAB容纳I/O引脚数更多，安装密度高4）TAB引线电阻、电容、电感小，有更好的电性能5）可对裸芯片进行筛选和测试6）采用Cu箔引线，导电导热好，机械强度高7）TAB键合点抗键合拉力比WB高8）TAB采用标准化卷轴长带，对芯片实行多点一次焊接，自动化程度高TAB的优点1）TAB结构轻、薄、短、小，封装高度1mm28精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远倒装芯片键合技术倒装芯片键合技术 倒装芯片键合（FCB）是指将裸芯片面朝下，芯片焊区与基板焊区直接互连的一种键合方法：通过芯片上的凸点直接将元器件朝下互连到基板、载体或者电路板上。而WB和TAB则是将芯片面朝上进行互连的。由于芯片通过凸点直接连接基板和载体上，倒装芯片又称为DCA（Direct Chip Attach）FCB省掉了互连引线互连引线，互连线产生的互连电容、电阻和电感均比WB和TAB小很多，电性能优越。倒装芯片键合技术 倒装芯片键合（FCB）是指将裸芯片面29精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远倒装芯片键合技术倒装芯片键合技术凸点下金属层(UBM)芯片上的凸点，实际上包括凸点及处在凸点和铝电极之间的多层金属膜(Under Bump Metallurgy)，一般称为凸点下金属层，主要起到粘附和扩散阻挡的作用。倒装芯片键合技术凸点下金属层(UBM)30精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远倒装芯片键合技术应用倒装芯片键合技术应用倒装芯片键合技术应用31精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远凸点类型和特点凸点类型和特点 按材料可分为焊料凸点、按材料可分为焊料凸点、AuAu凸点和凸点和CuCu凸点等凸点等按凸点结构可分为：按凸点结构可分为：周边性和面阵型周边性和面阵型按凸点形状可分为按凸点形状可分为蘑菇型、直状、球形蘑菇型、直状、球形等等FCB技术技术-芯片凸点类型芯片凸点类型凸点类型和特点 FCB技术-芯片凸点类型32精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远 形成凸点的工艺技术有很多种，主要包括蒸发蒸发/溅射凸点溅射凸点制作法制作法、电镀凸点制、电镀凸点制作法、置球法和模板作法、置球法和模板制作焊料凸点法制作焊料凸点法等。FCB技术技术-凸点制作方法凸点制作方法 形成凸点的工艺技术有很多种，主要包括蒸发/溅射凸点制33精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远 制作出来的凸点芯片可用于陶瓷基板和陶瓷基板和SiSi基板基板，也可以在PCBPCB上直接将芯片进行FCB焊接。将芯片焊接到基板上时需要在基板焊盘上制作金属焊区，以保证芯片上凸点和基板之间有良好的接触和连接。金属焊区通常的金属层包括：Ag/Pd-Au-Cu（厚膜工艺）和Au-Ni-Cu（薄膜工艺）PCB的焊区金属化与基板相类似。FCB技术技术-凸点芯片的倒装焊接凸点芯片的倒装焊接 制作出来的凸点芯片可用于陶瓷基板和Si基板，也可以在34精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远倒装焊接工艺倒装焊接工艺 热压或热声倒装焊接：调准对位调准对位-落焊头压焊（加热）落焊头压焊（加热）FCB技术技术-凸点芯片的倒装焊接凸点芯片的倒装焊接倒装焊接工艺FCB技术-凸点芯片的倒装焊接35精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远再流倒装焊接再流倒装焊接（C4C4技术）技术）对锡铅焊料凸点对锡铅焊料凸点进行再流焊接进行再流焊接FCB键合技术键合技术-再流倒装焊接再流倒装焊接再流倒装焊接（C4技术）FCB键合技术-再流倒装焊接36精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远环氧树脂光固化倒装焊接法环氧树脂光固化倒装焊接法各向异性导电胶倒装焊接法各向异性导电胶倒装焊接法倒装芯片键合技术倒装芯片键合技术-其他焊接方法其他焊接方法 利用光敏树脂固化时产生的收缩力将凸点和基板上金属焊区互连在一起。环氧树脂光固化倒装焊接法各向异性导电胶倒装焊接法倒装芯片键合37精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远倒装芯片下填充倒装芯片下填充目的：缓冲焊点受机械振动和CTE失配导致基板对芯片拉力作用引起的焊点裂纹和失效，提高可靠性。倒装芯片下填充目的：缓冲焊点受机械振动和CTE失配导致基板对38精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远倒装芯片下填充方法倒装芯片下填充方法倒装芯片下填充方法39精彩展示精彩展示精彩展示精彩展示路漫漫其悠远路漫漫其悠远FCB技术特点技术特点优点：优点：1）互连线短，互连电特性好2）占基板面积小，安装密度高3）芯片焊区面分布，适合高I/O器件4）芯片安装和互连可同时进行，工艺简单、快速缺点：缺点：1）需要精选芯片2）安装互连工艺有难度，芯片朝下，焊点检查困难3）凸点制作工艺复杂，成本高4）散热能力有待提高FCB技术特点优点：40